5 射线与物质的相互作用(中子)

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1、中子与物质的相互作用王德忠教授核科学与工程学院2009/9/211/36中子与物质的相互作用中子与物质的相互作用实质上是中子与物质的靶核的相互作用：•表现为两个粒子的碰撞•中子波与核的相互作用11中子波长：2.8610米EE为中子能量注：除非对于能量非常低的中子外，在讨论中子的运动时，把它看成为一个粒子来描述是适当的2009/9/212/36中子与物质的相互作用在反应堆物理分析中通常按中子能量把它们分为：快中子（0.1MeV以上）；超热中子或中能中子（1eV到0.1MeV）；热中子（1eV以下）。中子与原子核的相互作用过程有三种：势散射、直接相互作用和复合核的

2、形成。2009/9/213/36势散射它是中子波和核表面势相互作用的结果。此情况下的中子并未进入靶核。任何能量的中子都有可能引起这种反应。2009/9/214/36势散射作用的特点：散射前后靶核的内能没有变化。入射中子把它的一部分或全部动能传给靶核，成为靶核的动能。势散射时，中子改变了运动的方向和能量。势散射前后中子与靶核系统的动能和动量守恒。2009/9/215/36直接相互作用入射中子直接与靶核内的某个核子碰撞，使某个核子从核里发射出来，而中子却留在核内，如果从靶核里发射出来的核子是质子，这就是直接相互作用（n，p）反应。如果从靶核里发射出来的核子是中子，而靶

3、核发射γ射线，同时由激发态返回基态，这就是直接非弹性散射过程。2009/9/216/36复合核的形成（1）复合核的形成：AA1中子+靶核[]X复合核*[]XZZ（2）复合核的分解：A1复合核[]ZX反冲核+散射粒子*号表示复合核处于激发态2009/9/217/36激发态的复合核衰变或分解（n,p）：复合核放出一个质子而衰变；（n,α）：复合核放出一个α粒子而衰变；共振弹性散射或称为复合弹性散射（n,n）：复合核放出一个中子，余核回到基态；共振非弹性散射或者称为复合非弹性散射（n,n）：复合核放出一个中子，余核处于激发态，再放出γ光子回到基态；辐射俘获（n,γ）

4、：复合核通过发射俘获γ射线而衰变核裂变（n,f）：复合核还可以通过分裂成两个较轻的核的方式而衰变2009/9/218/36共振现象当入射中子的能量具有某些特定值，恰好使形成的复合核激发态接近于一个量子能级时，那么形成复合核的几率就显著地增大。共振吸收对反应堆内的物理过程有着很大的影响。2009/9/219/36复合核寿命能级宽度Γ的定义为：h电子伏复合核的能级宽度为Γ的激发态，其平均寿命便等于：1ht复合核的激发态的寿命与能级宽度成反比2009/9/2110/36复合核的衰变几率单位时间内处于激发态的复合核的某种衰变方式的几率，可以用该过程的能级

5、分宽度来表示。例：Γγ叫做辐射宽度：单位时间内复合核发射射线而衰变的几率；Γn叫做中子宽度：单位时间内复合核散射出中子而衰变的几率；总衰变几率是所有可能衰变方式的几率的总和：nI2009/9/2111/361)弹性碰撞(elasticcollision)中子与物质中原子核碰撞时把部分能量传给原子核，带有能量的原子核脱出原子，此原子核称反冲核，而中子本身带着较低能量改变运动方向继续行进成中子散射，这种现象称弹性碰撞。带电荷的反冲核获得能量后，在其运动途中可引起物质电离和激发2009/9/2112/36在弹性散射过程中，由于散射后靶核的内能没有变化，它

6、仍保持在基态，散射前后中子——靶核系统的动能和动量守恒，可以把这一过程看作“弹性球”式的碰撞，对此种过程，可根据动能和动量守恒，用经典的方法来处理2009/9/2113/36弹性散射(n,n)出射粒子仍为中子、剩余核仍为靶核2009/9/21142)非弹性碰撞(inelasticcollision)概念——快中子冲入物质原子核内，把部分能量传给原子核，使核处于激发态，中子带着剩余的能量从核内飞出，激发态核从中子得到能量以光子的形式释出，原子核回到基态，这种现象称为非弹性碰撞A1A1A1Xn(X)(X)nZ0ZZ0AXZ2009/9/2115/36非弹性

7、散射(n,n’)入射中子的能量损失不仅使靶核得到反冲，且使靶核处于激发态。处于激发态的靶核退激时放出一个或几个特征光子，在核分析技术中有重要的应用。2009/9/2116非弹性碰撞过程的守恒——非弹性碰撞中，入射中子的一部分（通常为绝大部分）动能转变成靶核的内能，使靶核处于激发态，然后靶核通过发射γ射线又反射回到基态。散射前后中子与靶核系统的动量守恒，但动能不守恒2009/9/2117/36非弹性碰撞非弹性碰撞的特点——只有入射中子的动能高于靶核的第一激发态的能量时才能使靶核激发，即只有入射中子的能量高